DOE - Projektowanie eksperymentów

      Chcąc otrzymać produkt o wyższej jakości, i o niższych kosztach w porównaniu z wyrobami konkurencji, należy zredukować koszty złej jakości (COPQ - z ang. Cost of Poor Quality). Jest to możliwe do osiągnięcia poprzez zmniejszenie zmienności procesów produkcyjnych, dzięki kontrolowaniu i analizowaniu zmian krytycznych parametrów procesów produkcyjnych w czasie.

      Rzeczywistą redukcję zmienności parametrów (jak również procesów produkcyjnych) można osiągnąć przez użycie nowoczesnych metod i technik zapewnienia jakości, takich jak Planowanie Eksperymentu (DOE - z ang. Design of Experiment). Metoda ta, poprzez likwidację przyczyn zewnętrznych, pozwala znaleźć takie ustawienia kontrolowanych parametrów procesu, by uczynić ten proces jak najmniej zmiennym.

Jakość danego wyrobu określają takie cechy jak: wielkości wyjściowe (których wartości są obserwowane i mierzone), natomiast system produkcyjny i sam produkt określają pewne parametry - tzw. wielkości wejściowe, konstruujące jakość (które pozostają pod kontrolą badacza). Oprócz kontrolowanych wejść, na obiekt działają czynniki pozostające albo poza kontrolą badacza, albo są dla niego nieznane (tzw. zakłócenia). Celem eksperymentu jest określenie przybliżonego związku wielkości wejściowych z wyjściowymi, a także wyeliminowanie czynników nieistotnych, których uwzględnianie w programie badań bezużytecznie podnosiłoby koszty i przedłużało czas niezbędny na ich przeprowadzenie oraz znalezienie wartości wielkości wejściowych, które zrealizują pożądany stan wyjść obiektu [A. Kiełbus 2005].

      Jedną z metod planowania doświadczeń jest metoda Taguchi'ego. Metoda ta ma za zadanie wykrycie potencjalnych zagrożeń już w na etapie projektu, którymi będą właściwości powodujące obniżenie jakości produkowanego wyrobu oraz mające wpływ na jakość procesu. Metoda Taguchi'ego posiada dwa charakteryzujące ją elementy [J. Gawlik, A. Kiełbus 2006]:

 pierwszy z nich zakłada, że chcąc osiągnąć wysoką jakość produktu należy ową jakość mierzyć jako odchylenie od zadanej wartości docelowej, a nie jak to ma miejsce np. w metodzie SPC dostosowanie jej do określonych granic tolerancji. Metoda ta ma za zadanie zapobiec pojawianiu się odchyleń, kiedy SPC eliminuje je dopiero wtedy kiedy zostaną one zauważone,

 drugim elementem opisującym działanie omawianej metody jest właściwe projektowanie procesu, co ma zapobiec występowaniu kosztów ewentualnych błędów i przeróbek.

  DOE wykorzystuje się do przeprowadzania testów oraz do optymalizacji działań procesu, wyrobu lub usługi. Dzięki tej metodzie możliwe jest planowanie i kontrolowanie wartości zmiennych użytych w projektowanym eksperymencie. Dzięki DOE w metodyce Six Sigma ocenić można, poprzez przeprowadzanie testów, jaką optymalną strategię należy przyjąć przy wprowadzaniu strategii przełomu. Działania jakie należy podjąć chcąc wprowadzić tę metodę do przedsiębiorstwa są następujące:

 dokonanie identyfikacji elementów, które poddane będą ocenie,

 zdefiniowanie poziomów czynników poddawanych testom,

 stworzenie zasięgu kombinacji eksperymentalnych,

 przeprowadzenie doświadczeń w danym środowisku - należy tu zwrócić uwagę na inne czynniki, których nie uwzględniono, a które mogą mieć wpływ na końcowy efekt,

 ocena wyników i sporządzenie wniosków z przeprowadzonych badań [P.S. Pande, R.R. Neuman, R.R. Cavanagh 2003].

Czym jest DOE?

Projektowanie Eksperymentów (PE), angielska nazwa „Design Of Experiments” (DOE) jest techniką służącą do optymalizacji parametrów wyrobu i procesu produkcyjnego.

Polega na stworzeniu matematycznego modelu opisującego jak zachowuje się badany system pod wpływem zmiany parametrów wyrobu lub procesu.

Celem optymalizacji może być znalezienie takich nastaw parametrów, aby zapewnić maksymalną jakość, wydajność, zmniejszyć zmienność procesu, bądź zapewnić jego nieczułość na zmiany niekontrolowanych parametrów.

 Definicja

Projektowanie eksperymentów (DOE) - zespół metod wykorzystywanych do stosowania eksperymentów w projektowaniu wyrobu i procesu; polega na stworzeniu matematycznego modelu opisującego jak zachowuje się badany system pod wpływem zmiany parametrów wyrobu lub procesu. DOE zostało stworzone w latach dwudziestych XX w. Przez Fishera, a następnie rozwinięte przez Boxa.

Cel

Uzyskanie jak największej ilości wartościowych i wiarygodnych informacji o badanym obiekcie (wyrób lub proces) na podstawie jak najmniejszej liczby doświadczeń. Celem optymalizacji parametrów wyrobu i procesu produkcyjnego może być znalezienie takich nastaw parametrów, aby zapewnić maksymalną jakość, wydajność, zmniejszyć zmienność procesu, bądź zapewnić jego nieczułość na zmiany niekontrolowanych parametrów.

Czynniki uwzględniane w eksperymentach

czynniki sterowalne - ze względu na kształtowanie wyrobu lub procesu mogą być w sposób celowy nastawiane i zmieniane;

czynniki niesterowalne lub sterowalne w ograniczonym zakresie

czynniki zakłócające:

zakłóceń zewnętrznych- odnoszące się do czynników otoczenia lub warunków użytkowania wyrobu bądź prowadzenia procesu

zakłóceń wewnętrznych " odnoszące się do czynników powodujących pogorszenie jakości wyrobów lub zmniejszenie zdolności jakościowej procesu w wyniku zużycia lub starzenia się elementów, zespołów, urządzeń itp.

Tab.1. Czynniki działające na wyrób i proces

Wyrób	Proces
Czynniki sterowalne
dobierane przez projektanta i konstruktora: - struktura - wymiary - pasowania -materiały	dobierane przez technologa: - struktura procesu - urządzenia - rodzaj narzędzia - parametry procesu
Czynniki niesterowalne
Jednorodność właściwości użytych materiałów Właściwości elementów konstrukcyjnych znormalizowanych	Kwalifikacje załogi w krótkim czasie
Czynniki zakłócające zewnętrzne
Niewłaściwe użytkowanie wyrobu Za niska temperatura otoczenia Za wysoka temperatura otoczenia Wahania temperatury Wstrząsy i drgania	Zmienność właściwości materiałów wejściowych Zróżnicowanie umiejętności obsługi Wilgotność powietrza Zmiana napięcia zasilania Drgania podłoża
Czynniki zakłócające wewnętrzne
Zużywanie się części wyrobu Starzenie materiału Korozja	Zużywanie się części maszyn Zużywanie się narzędzi Zmęczenie pracownika

Źródło: [A. Hamrol, s.241]

Ogólny przegląd metod planowania eksperymentu

Sterowanie dowolnym procesem produkcyjnym wymaga monitorowania obserwowanych odchyleń zmiennych diagnostycznych od wartości nominalnych (docelowych). Umożliwia to wykrycie:

systematycznych (nielosowych) odchyleń rzeczywistych wartości przeciętnych od zadanych wartości nominalnych (docelowych),

nadmiernej zmienności rzeczywistych wartości obserwowanych zmiennych diagnostycznych.

We wczesnych etapach tworzenia procesu produkcyjnego, do optymalizacji tych dwóch parametrów wykorzystuje się planowanie doświadczeń:

Plany frakcyjne 2(k-p)

Plany frakcyjne trójwartościowe 3(k-p), Boxa-Behnkena oraz dwu- i trójwartościowe

Plany 2(k-p) maksymalnie nieuwikłane i o najmniejszej aberracji

Plany centralne kompozycyjne i wyznaczanie powierzchni odpowiedzi

Plany kwadratów łacińskich

Plany dla mieszanin i powierzchnie o podstawie trójkątnej

Plany dla ograniczonych obszarów i mieszanin

Plany D i A-optymalne

Służą one do bieżącego monitorowania procesu produkcji.

Do rozwoju metod eksperymentalnych w sposób szczególny przyczynili się dwaj Japończycy Taguchi i Shainin. Metody Taguchi'ego w rozmaitych aspektach odbiegają od tradycyjnych procedur sterowania jakością i doświadczalnictwa przemysłowego. Przygotował on grunt pod stosowanie metod planowania eksperymentów zorientowanych na projektowanie dla jakości, zaś Shainin wniósł ogromny wkład w rozwój metod planowania eksperymentów do warunków produkcyjnych.

Bibliografia

Adam Hamrol, Zarządzanie jakością z przykładami, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005, str. 341-345;

Władysław Mantura, Adam Hamrol, Zarządzanie jakością - teoriai i praktyka, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa - Poznań 1999, str. 237-258

---